【C++提高编程(一)】

·本阶段主要针对C++泛型编程和STL技术做详细讲解，探讨C++更深层的使用

一、模板

1.1、模板的概念

模板就是建立通用的模具，大大提高复用性

例如生活中的模板

一寸照片模板:?

PPT模板:?

模板的特点:

·模板不可以直接使用，它只是一个框架

·模板的通用并不是万能的

1.2、函数模板

·C++另一种编程思想称为泛型编程，主要利用的技术就是模板

·C++提供两种模板机制:函数模板和类模板

1.2.1、函数模板语法

函数模板作用:

建立一个通用函数，其函数返回值类型和形参类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。?

语法:

template<typename T>

函数声明或定义

解释:

template --- 声明创建模板

typename --- 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替

T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母

//交换两个整形函数
void swapInt(int& a, int& b)
{
	int temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//交换两个浮点型函数
void swapDouble(double& a, double& b)
{
	double temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//函数模板
template <typename T> //声明一个模板,告诉编译器后面代码中紧跟着的T不要报错,T是一个通用数据类型
void mySwap(T& a, T& b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	//swapInt(a, b);
	//利用函数模板来实现交换
	//两种方式使用函数模板
	//1.自动类型推导
	mySwap(a, b);
	cout << "a = " << a << endl << "b = " << b << endl;

	double c = 1.1;
	double d = 2.2;
	//swapDouble(c, d);
	//2.显示指定类型
	mySwap<double>(c, d);
	cout << "c = " << c << endl << "d = " << d << endl;
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:

·函数模板利用关键字 template

·使用函数模板有两种方式: 自动类型推导、显示指定类型

·模板的目的是为了提高复用性，将类型参数化

1.2.2、函数模板注意事项

注意事项:

·自动类型推导，必须推导出一致的数据类型T，才可以使用

·模板必须要确定出T的数据类型，才可以使用?

示例:

//函数模板注意事项
template <class T> //typename可以替换成class
void mySwap(T& a, T& b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

void test01()
{
	//1.自动类型推导,必须推导出一致的数据类型T才可以使用
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 0;
	mySwap(a, b);
	//mySwap(a, c);//err
	cout << "a = " << a << endl << "b = " << b << endl;
}

template <class T>
void func()
{
	cout << "func()调用" << endl;
}

void test02()
{
	//2.模板必须要确定出T的数据类型才可以使用
	func<int>();
}

int main()
{
	test01();
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:?

·使用模板时必须确定出通用数据类型T，并且能够推导出一致的类型?

1.2.3、函数模板案例

案例描述:

·利用函数模板封装一个排序的函数，可以对不同数据类型数组进行排序

·排序规则从大到小，排序算法为选择排序

·分别利用char数组和和int数组进行测试?

示例:?

//交换函数模板
template <class T>
void mySwap(T& a, T& b)
{
	T temp = a;
	a = b;
	b = temp;
}

//排序算法
template <class T>
void mySort(T arr[] , int sz)
{
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		int max = i;//认定最大值的下标
		for (int j = i+1; j < sz; j++)
		{
			//认定的最大值比遍历出的数值要小,说明j下标的元素才是真正的最大值
			if (arr[max] < arr[j])
			{
				max = j;//更新最大值下标
			}
		}
		if (max != i)
		{
			//交换max和i的元素
			mySwap(arr[max], arr[i]);
		}
	}
}

//提供打印数组的模板
template <class T>
void printArray(T arr[], int sz)
{
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test01()
{
	//测试char数组
	char charArr[] = "badcfe";
	int sz = sizeof(charArr) / sizeof(charArr[0]);
	mySort(charArr, sz);
	printArray(charArr, sz);
}

void test02()
{
	//测试int数组
	int intArr[] = {7,5,1,3,2,4,9,6};
	int sz = sizeof(intArr) / sizeof(intArr[0]);
	mySort(intArr, sz);
	printArray(intArr, sz);
}

int main()
{
	test01();
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

1.2.4、普通函数与函数模板的区别

普通函数与函数模板区别:

·普通函数调用时可以发生自动类型转换 (隐式类型转换)

·函数模板调用时，如果利用自动类型推导，不会发生隐式类型转换?

·如果利用显示指定类型的方式，可以发生隐式类型转换

示例:

//普通函数 - 可以发生隐式类型转换
int myAdd01(int a, int b)
{
	return a + b;
}

//函数模板
template <class T>
T myAdd02(T a, T b)
{
	return a + b;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	char c = 'c';//a - 97  c - 99
	cout << myAdd01(a, c) << endl;

	//自动类型推导 - 不可以发生隐式类型转换
	cout << myAdd02(a,b) << endl;

	//显式指定类型 - 可以发生隐式类型转换
	cout << myAdd02<int>(a, c) << endl;
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结: 建议使用显示指定类型的方式，调用函数模板，因为可以自己确定通用类型T

1.2.5、普通函数与函数模板的调用规则

调用规则如下:

1.如果函数模板和普通函数都可以实现，优先调用普通函数

2.可以通过空模板参数列表来强制调用函数模板
3.函数模板也可以发生重载
4.如果函数模板可以产生更好的匹配,优先调用函数模板

示例:

void myPrint(int a, int b)
{
	cout << "调用的普通函数" << endl;
}

template <class T>
void myPrint(T a, T b)
{
	cout << "调用的模板函数" << endl;
}

template <class T>
void myPrint(T a, T b , T c)
{
	cout << "调用重载的模板函数" << endl;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	myPrint(a, b);//如果函数模板和普通函数均可调用.优先调用普通函数

	//通过空模板的函数列表,强制调用函数模板
	myPrint<>(a, b);

	myPrint(a, b, 100);

	//如果函数模板产生更好的匹配,优先调用函数模板
	char c1 = 'a';
	char c2 = 'b';
	myPrint(c1, c2);
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:既然提供了函数模板，最好就不要提供普通函数，否则容易出现二义性

1.2.6、模板的局限性

局限性:

·模板的通用性并不是万能的

例如:?

template<class T>

void f(T a, T b)

{

????????a = b;

}

在上述代码中提供的赋值操作，如果传入的a和b是一个数组，就无法实现了?

再例如:

template<class T>

void f(T a, T b)

{

????????if(a > b){?... }

}

在上述代码中，如果T的数据类型传入的是像Person这样的自定义数据类型，也无法正常运行?

因此C++为了解决这种问题，提供模板的重载，可以为这些特定的类型提供具体化的模板

class Person
{
public:
	int m_Age;
	string m_Name;

public:
	Person(string name , int age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
};

//对比两个数据是否相等的函数
template <class T>
bool myCompare(T& a, T& b)
{
	if (a == b)
	{
		return true;
	}
	else
	{
		return false;
	}
}

//利用具体化Person的 版本实现代码,具体化优先调用
template<> bool myCompare(Person& p1, Person& p2)
{
	if (p1.m_Name == p2.m_Name && p1.m_Age == p2.m_Age)
	{
		return true;
	}
	return false;
}

void test01()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	bool ret1 = myCompare(a, b);
	if (ret1 == true)
	{
		cout <<"a和b相等!" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "a和b不相等!" << endl;
	}

	Person p1("Tom", 10);
	Person p2("Tom", 10);
	bool ret2 = myCompare(p1, p2);
	if (ret2 == true)
	{
		cout << "p1和p2相等!" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "p1和p2不相等!" << endl;
	}
}


int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:
·利用具体化的模板，可以解决自定义类型的通用化
·学习模板并不是为了写模板，而是在STL能够运用系统提供的模板?

1.3、类模板

1.3.1、类模板语法

类模板作用:
·建立一个通用类，类中的成员、数据类型可以不具体制定，用一个虚拟的类型来代表。

语法:

template<typename T>

类

解释:

template --- 声明创建模板

typename --- 表面其后面的符号是一种数据类型，可以用class代替

T --- 通用的数据类型，名称可以替换，通常为大写字母?

示例:

//类模板
template<class NameType , class AgeType>
class Person
{
public:
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;

	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << "岁" << endl;
	}
};

void test01()
{
	Person<string, int>p1("孙悟空", 999);
	p1.showPerson();
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结: 类模板和函数模板语法相似，在声明模板template后面加类，此类称为类模板

1.3.2、类模板与函数模板区别

类模板与函数模板区别主要有两点:
1.类模板没有自动类型推导的使用方式
2.模板在模板参数列表中可以有默认参数?

示例:?

//类模板
template<class NameType, class AgeType = int>
class Person
{
public:
	NameType m_Name;
	AgeType m_Age;

	Person(NameType name, AgeType age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << "岁" << endl;
	}
};

void test01()
{
	//1.类模板没有自动类型推导的使用方式
	//Person p("孙悟空", 999);//err

	Person <string, int>p1("孙悟空", 1000);//只能用显示指定类型
	p1.showPerson();

	//2.类模板在模板参数列表中可以有默认参数
	Person <string, int>p2("猪八戒", 999);
	p2.showPerson();
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:
·类模板使用只能用显示指定类型方式

·类模板中的模板参数列表可以有默认参数?

1.3.3、类模板中成员函数创建时机

类模板中成员函数和普通类中成员函数创建时机是有区别的:

·普通类中的成员函数一开始就可以创建

·类模板中的成员函数在调用时才创建

示例:?

class Person1
{
public:
	void showPerson1()
	{
		cout << "Person1 show" << endl;
	}
};

class Person2
{
public:
	void showPerson2()
	{
		cout << "person2 show" << endl;
	}
};

template<class T>
class MyClass
{
public:
	T obj;

	//类模板中的成员函数
	void func1()
	{
		obj.showPerson1();
	}

	void func2()
	{
		obj.showPerson2();
	}
};

void test01()//类模板中成员函数在调用时才去创建
{
	MyClass<Person1>m1;
	m1.func1();
	//m1.func2();

	MyClass<Person2>m2;
	//m2.func1();
	m2.func2();
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结: 类模板中的成员函数并不是一开始就创建的，在调用时才去创建

1.3.4、类模板对象做函数参数

学习目标:

·类模板实例化出的对象，向函数传参的方式

一共有三种传入方式:
1.指定传入的类型 --- 直接显示对象的数据类型
2.参数模板化 --- 将对象中的参数变为模板进行传递
3.整个类模板化 --- 将这个对象类型，模板化进行传递

示例:

template <class T1 , class T2>
class Person
{
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

	void showPerson()
	{
		cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << endl;
	}
};

//1.指定传入类型
void printPerson1(Person<string, int>&p)
{
	p.showPerson();
}

//2.参数模板化 - 函数模板配合类模板
template <class T1, class T2>
void printPerson2(Person<T1, T2>& p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T1的类型为:" << typeid(T1).name() << endl;
	cout << "T2的类型为:" << typeid(T2).name() << endl;
}

//3.整个类模板化 - 函数模板配合类模板
template <class T>
void printPerson3(T &p)
{
	p.showPerson();
	cout << "T的类型为:" << typeid(T).name() << endl;
}

void test01()
{
	Person<string, int>p1("孙悟空", 999);
	printPerson1(p1);

	Person<string, int>p2("猪八戒", 599);
	printPerson2(p2);

	Person<string, int>p3("唐僧", 36);
	printPerson3(p3);
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:
·通过类模板创建的对象，可以有三种方式向函数中进行传参

·使用比较广泛的是第一种:指定传入的类型?

1.3.5、类模板与继承

当类模板碰到继承时，需要注意一下几点:

·当子类继承的父类是一个类模板时，子类在声明的时候，要指定出父类中T的类型

·如果不指定，编译器无法给子类分配内存

·如果想灵活指定出父类中T的类型，子类也需变为类模板

示例:

template<class T>
class Base
{
	T m;
};

//class Son :public Base//err - 必须知道父类中T的类型,才能继承给子类
class Son1 :public Base<int>
{

};

//如果想灵活的指定父类中T类型,子类也需要变为类模板
template <class T1 , class T2>
class Son2 :public Base<T2>
{
public:
	Son2()
	{
		cout << "T1的数据类型:" << typeid(T1).name() << endl;
		cout << "T2的数据类型:" << typeid(T2).name() << endl;
	}

	T1 obj;
};

void test01()
{
	Son2<int, char> s2;
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:如果父类是类模板，子类需要指定出父类中T的数据类型?

1.3.6、类模板成员函数类外实现

学习目标:能够掌握类模板中的成员函数类外实现

示例:

template <class T1 , class T2>
class Person
{
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

	Person(T1 name, T2 age);
	//{
	//	this->m_Name = name;
	//	this->m_Age = age;
	//}

	void showPerson();
	//{
	//	cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << endl;
	//}
};

//构造函数类外实现
template <class T1, class T2>
Person<T1,T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}

//成员函数类外实现
template <class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << endl;
}

void test01()
{
	Person<string, int>p("奥特曼", 137);
	p.showPerson();
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:类模板中成员函数类外实现时，需要加上模板参数列表

1.3.7、类模板分文件编写

学习目标:

·掌握类模板成员函数分文件编写产生的问题以及解决方式

问题:
·类模板中成员函数创建时机是在调用阶段，导致分文件编写时链接不到

解决:
·解决方式1:直接包含.cpp源文件
·解决方式2:将声明和实现写到同一个文件中，并更改后缀名为.hpp，hpp是约定的名称，并不是强制

示例:

person.hpp中代码:

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;

template <class T1, class T2>
class Person
{
public:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;

	Person(T1 name, T2 age);

	void showPerson();
};

template <class T1, class T2>
Person<T1, T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}

template <class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << endl;
}

类模板分文件编写.cpp中代码:

#include"Person.h"

template <class T1, class T2>
Person<T1,T2>::Person(T1 name, T2 age)
{
	this->m_Name = name;
	this->m_Age = age;
}

template <class T1, class T2>
void Person<T1, T2>::showPerson()
{
	cout << "姓名:" << this->m_Name << "  年龄:" << this->m_Age << endl;
}

?test.cpp:

//类模板分文件编写的问题(无法解析的外部命令) - 类模板的成员函数创建时机是在调用阶段,一开始不创建,调用时才创建
//第一种解决方式 - 直接包含源文件
//#include "Person.cpp"//将#include "Person.h" 替换成 #include "Person.cpp"
//第二种解决方式 - 将.h和.cpp中的内容写到一起,将后缀名改为.hpp文件
#include"Person.hpp"

void test01()
{
	Person<string, int>p("奥特曼", 137);
	p.showPerson();
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:主流的解决方式是第二种，将类模板成员函数写到一起，并将后缀名改为.hpp

1.3.8、类模板与友元

学习目标:

·掌握类模板配合友元函数的类内和类外实现

全局函数类内实现 - 直接在类内声明友元即可

全局函数类外实现 - 需要提前让编译器知道全局函数的存在?

示例:

//提前让编译器知道Person类的存在
template <class T1, class T2>
class Person;

//类外实现
template <class T1, class T2>
void showPerson2(Person<T1, T2> p)
{
	cout << "类外实现 --- 姓名:" << p.m_Name << "  年龄:" << p.m_Age << endl;
}

template <class T1, class T2>
class Person
{
	//全局函数类内实现
	friend void showPerson1(Person<T1 , T2> p)
	{
		cout << "类内实现 --- 姓名:" << p.m_Name << "  年龄:" << p.m_Age << endl;
	}

	//全局函数类外实现
	//加空模板参数列表
	//如果全局函数是类外实现,需要让编译器提前知道这个函数的存在
	friend void showPerson2<>(Person<T1, T2> p);

public:	
	Person(T1 name, T2 age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}

private:
	T1 m_Name;
	T2 m_Age;
};

void test01()
{
	//1.全局函数在类内实现
	Person<string, int>p1("Tom", 6);
	showPerson1(p1);

	//1.全局函数在类外实现
	Person<string, int>p2("Jerry", 2);
	showPerson2(p2);
}

int main()
{
	test01();

	system("pause");
	return 0;
}

总结:建议全局函数做类内实现，用法简单，而且编译器可以直接识别?

1.3.9、类模板案例

案例描述:实现一个通用的数组类，要求如下:

·可以对内置数据类型以及自定义数据类型的数据进行存储
·将数组中的数据存储到堆区
·构造函数中可以传入数组的容量
·提供对应的拷贝构造函数以及operator=防止浅拷贝问题
·提供尾插法和尾删法对数组中的数据进行增加和删除。
·可以通过下标的方式访问数组中的元素
·可以获取数组中当前元素个数和数组的容量

示例:

myArray.hpp中代码:

//自己通用的数组类
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
class MyArray
{
private:
	T* pAddress;//指针指向堆区开辟的真实数组
	int m_Capacity;//数组容量
	int m_Size;//数组大小

public:
	//有参构造 - 参数:容量
	MyArray(int capacity)
	{
		//cout << "MyArray的有参构造" << endl;
		this->m_Capacity = capacity;
		this->m_Size = 0;
		this->pAddress = new T[this->m_Capacity];
	}

	//拷贝构造
	MyArray(const MyArray& arr)
	{
		//cout << "MyArray的拷贝构造" << endl;
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;
		//this->pAddress = arr.pAddress;
		this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];//深拷贝
		//将arr中数据都拷贝过来
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
		{
			this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
		}
	}

	//operator= 防止浅拷贝问题
	MyArray& operator=(const MyArray& arr)
	{
		//cout << "MyArray的operator函数" << endl;
		//先判断原理堆区是否有数据,如果有,先释放
		if (this->pAddress != NULL)
		{
			delete[] this->pAddress;
			this->pAddress = NULL;
			this->m_Capacity = 0;
			this->m_Size = 0;
		}
		//深拷贝
		this->m_Capacity = arr.m_Capacity;
		this->m_Size = arr.m_Size;
		this->pAddress = new T[arr.m_Capacity];
		for (int i = 0; i < this->m_Size; i++)
		{
			this->pAddress[i] = arr.pAddress[i];
		}
		return *this;
	}

	//尾插法
	void Push_Bace(const T& val)
	{
		//判断容量是否等于大小
		if (this->m_Size == this->m_Capacity)
		{
			return;
		}
		this->pAddress[this->m_Size] = val;//在数组末尾插入数据
		this->m_Size++;//更新数组大小
	}

	//尾删法
	void Pop_Back()
	{
		//让用户访问不到最后一个元素,即为尾删,逻辑删除
		if (this->m_Size == 0)
		{
			return;
		}
		this->m_Size--;
	}

	//通过下标的方式来访问数组中元素 - arr[0] = 100(不仅可以取出第xx号元素,还可以作为左值存在)
	T& operator[](int index)
	{
		return this->pAddress[index];
	}

	//返回数组容量
	int getCapacity()
	{
		return this->m_Capacity;
	}

	//返回数组大小
	int getSize()
	{
		return this->m_Size;
	}

	//析构函数
	~MyArray()
	{
		//cout << "MyArray的析构函数" << endl;
		if (this->pAddress != NULL)
		{
			delete[] this->pAddress;
			this->pAddress = NULL;
		}
	}
};

类模板案例 --- 数组类封装.cpp中:

#include "MyArray.hpp"

void printIntArray(MyArray<int>& arr)
{
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++)
	{
		cout << arr[i] << " ";
	}
	cout << endl;
}

void test01()
{
	MyArray<int> arr1(5);
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		//利用尾插法向数组中插入数据
		arr1.Push_Bace(i);
	}
	cout << "arr1的打印输出为:";
	printIntArray(arr1);

	cout << "arr1的容量:" << arr1.getCapacity() << endl;
	cout << "arr1的大小:" << arr1.getSize() << endl;

	MyArray<int> arr2(arr1);
	cout << "arr2的打印输出为:";
	printIntArray(arr2);
	//尾删
	arr2.Pop_Back();
	cout << "arr2尾删后:" << endl;
	cout << "arr2的容量:" << arr2.getCapacity() << endl;
	cout << "arr2的大小:" << arr2.getSize() << endl;

	//MyArray<int> arr2(arr1);
	//MyArray<int> arr3(100);
	//arr3 = arr1;
}

//测试自定义数据类型
class Person
{
public:
	string m_Name;
	int m_Age;

	Person() {};
	Person(string name, int age)
	{
		this->m_Name = name;
		this->m_Age = age;
	}
};

void printPersonArray(MyArray<Person>& arr)
{
	for (int i = 0; i < arr.getSize(); i++)
	{
		cout << "姓名:" << arr[i].m_Name << "  年龄:" << arr[i].m_Age << endl;
	}
}

void test02()
{
	MyArray<Person> arr(10);
	Person p1("孙悟空", 999);
	Person p2("牛魔", 987);
	Person p3("韩信", 20);
	Person p4("妲己", 500);
	Person p5("安其拉", 200);

	//将数据插入到数组中
	arr.Push_Bace(p1);
	arr.Push_Bace(p2);
	arr.Push_Bace(p3);
	arr.Push_Bace(p4);
	arr.Push_Bace(p5);

	//打印数组
	printPersonArray(arr);

	//输出容量
	cout << "arr的容量:" << arr.getCapacity() << endl;

	//输出大小
	cout << "arr的大小:" << arr.getSize() << endl;
}

int main()
{
	//test01();
	test02();

	system("pause");
	return 0;
}

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总结:能够利用所学知识点实现通用的数组